В современном материаловедении особую роль играет
умение находить изящные и остроумные решения технологических задач.
Поиск новых материалов, их улучшение и оптимизация оказываются сопряжены
с необходимостью применить новую идею, или, как в поговорке, хорошо
забытую старую.
Вот хороший пример. Метаматериалы – это оптические
(композитные по классификации материаловедов) материалы, свойства
которых, как и свойства любого композита, значительно отличаются от
свойств составляющих его компонентов. Например, появляется резонансная
частота отражения, и благодаря ей метаматериал может быть применен в
различных оптических схемах и устройствах. В свою очередь, возможность
контролируемо менять резонансную частоту открывает перед материалом еще
большие перспективы практического применения.
Группа ученых из Калифорнии применила необычный, но
довольно логичный в своей сущности подход: нанести отдельные
"резонаторы" на эластичную подложку, и за счет изменения взаимодействия
между ними и изменения внутренней структуры изменить оптические
характеристики.
На рис.1ab приведена микрофотография такого
метаматериала, и на ней отчетливо видно изменение внутренней структуры
резонатора. По сути, единичный резонатор – это CL – электрическая цепь, и
при изменении геометрии резонатора, меняется емкость контактов (за счет
изменения зазора) и индуктивность контура (за счет удлинения контура).
Впрочем, исследователи не ограничились одной формой резонаторов – были
применены 4 типа резонаторов, приведенные на рис. 1c.
В силу различной геометрии, эти резонаторы по-разному
откликаются на приложение механического напряжения. На рис.2 приведены
зависимости частота ( или длина волны – шкала внизу) – коэффициент
отражения. При увеличении деформации сдвиг резонансной частоты
увеличивается, а при снятии напряжения происходит релаксация, которую
можно также отследить по микрофотографиям (удаление элементов
резонаторов друг от друга).
Возникает закономерный вопрос – как же оценить
качество того или иного резонатора? Для этого вводится специальное число
– показатель качества (в оригинале - Figure of Merit. FOM), которое
вычисляется как отношение величины сдвига данного образца при данной
величине деформации к полуширине резонансного пика. Эти зависимости
приведены на рис.3, и можно наглядно видеть, как по-разному резонаторы
могут откликаться на деформацию (важно отметить, что полуширина остается
постоянной, т.е. изменение показателя качества характеризует
относительную величину сдвига). В качестве демонстрации возможностей
нового метаматериала было измерено усиление сигнала на частоте колебания
С-Н связи (3,37 микрон) (приведено на рис.4).
Таким образом, резонансная частота этого метаматериала
может быть изменена в пределах 400 нм, что позволяет создавать
устройства с перестраиваемой резонансной частотой, а также варьировать
резонансную частоту в процессе изготовления просто при помощи
контролируемой деформации образца.
